智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法
【专利摘要】一种智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法，建立台站姿态修正模型，台站整体姿态观测采用0.52精密全站仪法，分别在测试台站圆柱体上东、南、西、北四个方向，从上到下间隔10—15cm设置观测点，采用精密全站仪24小时自动观测，实时采集引起台站结构体姿态变化的理化因子信息；同时采集环境信息；监测数据发送至远程数据处理中心。数据中心依据通过理化因子和环境参数建立的台站姿态修正模型，实时估算各台站修正值。以解决参考站三维形变量精密测量和参考站基准数据实时修正，保障GNSS连续运行参考站网的基准数据服务必要精度。
【专利说明】智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种连续运行参考站网系统，特别是一种智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法。
【背景技术】
[0002]随着空间定位技术的发展，特别是全球导航定位系统(GNSS)技术的迅猛发展，使建立和维持一个基于空间定位技术的长期稳定和具有较精高度的、动态的全球性或区域性坐标参考框架成为一种可能。GNSS连续运行参考站网系统(Continuous OperationingReference Stations,简称C0RS)正是获取空间基准信息的一种重要、快速而有效的现代化技术体系。它立足于向政府部门和社会用户提供专业、精确、有效的空间基准数据，解决工程建设、地震监测、国土调查、行业管理等各种空间定位及位置服务问题。是当代GNSS发展的热点之一。GNSS连续运行参考站网系统作为国家空间信息基础设施，在信息社会发挥巨大的作用。
[0003]目前，CORS作为“数字地球”重要基础的国家空间数据基础设施，得到了蓬勃发展。我国已建成国家GPS A、B、C级网、区城CORS网和中国地壳运动观测网络等，总点数已达到3000多个。用户对GNSS相关的服务要求越来越广泛的同时、准确度要求越来越高，如GPS差分信息、精密星历、数据处理、时间同步信息等等从事后的、准实时的，到实时的等不同层面的服务。这就需要在建立空间坐标参考框架服务体系的同时，建立相应的数据精度和可靠性质量保障体系。
[0004]GNSS连续运行参考站主要为钢筋混凝土圆柱形结构体，长期野外工作环境。一般GNSS天线强制固定于圆柱体顶端作为站点中心。由于温度和风压等环境因素引起地基和结构体应力的变化，从而导致圆柱体发生非线性形变。直接影响空间基准框架的精确性。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法。以解决参考站三维形变量精密测量和参考站基准数据实时修正，保障GNSS连续运行参考站网的基准数据服务必要精度。
[0006]本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法，其特点是:
CORS台站姿态修正模型，采用连续时间序列台站姿态观测统计回归分析法建立:观测试验场地，选择在基础稳定的建筑物顶层，四周完全没有遮挡物，构建标准的钢筋混凝土圆柱形测试台站。台站中心点姿态观测采用GNSS连续相对动态三维坐标测量技术，将双频GPS接收机安置在CORS台站强制对中器上连续观测，获取以强制对中器中心为代表的测试台站中心点每I秒的三维坐标；以周日平均最低温度为对应时间基准，通过建立动态站心空间直角坐标系，计算理化因子和环境参数引起的测试台站姿态变化，即三维坐标变化量; 台站整体姿态观测采用0.5"密全站仪(测量机器人实时监测)法，分别在测试台站圆柱体上东、南、西、北四个方向，从上到下间隔10 — 15cm设置观测点，并在观测点位上安装反射片；设立固定强制归心观测墩台，采用精密全站仪24小时自动观测，采样间隔根据环境参数变化频率确定，一般< I O分钟；通过数据处理，分析台站的挠度，同步确定台站中心线(水平面)倾斜角；建立不同高度CORS台站姿态变化的预测模型；检测GNSS测量的可靠性；
依据CORS台站形变机理和规律，在CORS台站结构体内部敷设温度、应力、湿度和位移传感器网，实时采集引起台站结构体姿态变化的理化因子信息；同时采集CORS台站外部太阳辐射、风速风向等环境信息；数据采集器集成于32位可编PC，实现数模转换，通过无线通信模块，将采集的监测数据发送至远程数据处理中心；
数据中心依据通过理化因子和环境参数建立的CORS台站姿态修正模型，实时估算各台站修正值。
[0007]本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，CORS台站姿态修正坐标转换:应用GPS测量获得的站心动态三维坐标是WGS-84大地测量坐标系统下的空间直角坐标，通过七参数坐标转换的迭代算法将GPS给出WGS-84坐标转换至三维站固坐标系统，便于建立台站理化参数形变估算模型，三维站固坐标系统通过高程差转换模型转换为工程坐标系统。
[0008]本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，WGS-84坐标系与三维站固坐标系转换:WGS-84坐标系与三维站固坐标系转换均为空间直角坐标,采用Buras 7参数转换模型，在台站上构建站固坐标系系统。在站体铅垂的状态下，选定过CORS台站天线强制归心螺杆顶端且与其垂直的水平面为站体高程基准面。站体纵轴线定义在站体高程基准面内过强制归心螺杆中心O与地理北一致的方向线；0点定义为站固三维坐标系的原点，在站体高程基准面上O点至纵轴线定义为站固三维坐标系的Xs轴正向，在站体高程基准面内Xs轴正向右转90度为Ys轴正向，Zs轴垂直向上，构成左手坐标系统，即三维站固坐标系统；
三维站固坐标系统与瞬时水平站心坐标系统间的转换:水平站心坐标系统是站固三维坐标系统的一个特例，它指的是当站体高程基准面处于水平时站固坐标系统，在水平站心坐标系统中，点位坐标以(XP、Yp)表示，站固坐标系统与水平站心坐标系统的X轴和Y轴在同一个铅垂面内，两者坐标原点在一条垂直线上，水平站心坐标系通过平移、旋转可以与工程坐标系重合，两者之间的关系可以通过两个相同点在两个坐标系中的坐标计算出来，称为X、Y平面旋转转换模型；
瞬时水平站心坐标系统与工程坐标系统间的转换:瞬时水平站心坐标系统和工程坐标系统同属于二维平面坐标系统，利用平面相似变换转换模型；
工程坐标系统高程转换:通过高程差转换模型转换为工程坐标系统高程，将CORS台站WGS-84大地高H84转换为工程坐标系高程Hg。
[0009]本发明与现有技术相比，针对客观存在的参考站动态形变问题，研发了一种基于传感网的智能化GNSS连续运行参考站姿态监测装置。以解决参考站三维形变量精密测量和参考站基准数据实时修正，保障GNSS连续运行参考站网的基准数据服务必要精度。特点是:1、多点温度传感器网同步监测。2、风力、风向传感器网同步监测。3、多区段十字型三维位移传感器网同步监测。4、一体化光纤应力传感器网同步监测。5、传感器监测数据实时3G无线传输。6、参考站基准数据实时修正。以解决参考站三维形变量精密测量和参考站基准数据实时修正，保障GNSS连续运行参考站网的基准数据服务必要精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1参考站姿态测量坐标系统转换模型；
图2参考站三维站固坐标系转换模型；
图3参考站水平站心坐标转换模型；
图4参考站工程坐标系统转换模型；
图5参考站高程系统转换模型；
图6姿态测量系统结构图。
【具体实施方式】
[0011]一种智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法，
考虑监测CORS台站形变主要影响因素:温度变化、风力影响和基础升沉。温度变化引起结构体热胀冷缩，其中一端超静定混凝土柱结构可能导致更大的约束应力的不均匀变形和位移。风力作用于CORS台站，可以使产生弹性移位和挠度。基础本身局部密度比地表大，存在重力沉降影响。特殊地理环境下，如冻土层、软土地基，基础和产生非周期性升沉。
[0012]CORS台站姿态修正模型，采用连续时间序列台站姿态观测统计回归分析法建立:观测试验场地，选择在基础稳定的建筑物顶层，四周完全没有遮挡物，构建标准的钢筋混凝土圆柱形测试台站(如图所示)。台站中心点姿态观测采用GNSS连续相对动态三维坐标测量技术，将双频GPS接收机安置在CORS台站强制对中器上连续观测，获取以强制对中器中心为代表的测试台站中心点每I秒的三维坐标；以周日平均最低温度为对应时间基准，通过建立动态站心空间直角坐标系，计算理化因子和环境参数引起的测试台站姿态变化，即三维坐标变化量。
[0013]台站整体姿态观测采用0.5"精密全站仪(测量机器人实时监测)法，分别在测试台站圆柱体上东、南、西、北四个方向，从上到下间隔10 — 15cm设置观测点，并在观测点位上安装反射片；设立固定强制归心观测墩台，采用精密全站仪24小时自动观测，采样间隔根据环境参数变化频率确定，一般< 10分钟；通过数据处理，分析台站的挠度，同步确定台站中心线(水平面)倾斜角；建立不同高度CORS台站姿态变化的预测模型；检测GNSS测量的可靠性。
[0014]依据CORS台站形变机理和规律，在CORS台站结构体内部敷设温度、应力、湿度和位移传感器网，实时采集引起台站结构体姿态变化的理化因子信息；同时采集CORS台站外部太阳辐射、风速风向等环境信息；数据采集器集成于32位可编PC，实现数模转换，通过无线通信模块，将采集的监测数据发送至远程数据处理中心。
[0015]数据中心依据通过理化因子和环境参数建立的CORS台站姿态修正模型，实时估算各台站修正值。可以提供CORS台站管理服务系统作为精密基准的动态修正参数。
[0016]设:测试台站中心相对位移线量Λ it/ Δ i0;太阳辐射强度& ;结构体温度Ti ;风速Fi ;内应力P ;密度OAit/Ai0= A.f(Sr)+B.f(Ti)+C.f(Fi)+D.f(P) +E.f(o)
=A.Sr+ B.Ti+ C/ Fi + D.P +E/ σ
通过统计回归计算A、B、C、D、E模型系数。统计相关系数均大于8.5，模型相关性较好。
[0017]结构体温度影响回归模型:
【权利要求】
1.一种智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法，其特征在于: CORS台站姿态修正模型，采用连续时间序列台站姿态观测统计回归分析法建立:观测试验场地，选择在基础稳定的建筑物顶层，四周完全没有遮挡物，构建标准的钢筋混凝土圆柱形测试台站，台站中心点姿态观测采用GNSS连续相对动态三维坐标测量技术，将双频GPS接收机安置在CORS台站强制对中器上连续观测，获取以强制对中器中心为代表的测试台站中心点每I秒的三维坐标；以周日平均最低温度为对应时间基准，通过建立动态站心空间直角坐标系，计算理化因子和环境参数引起的测试台站姿态变化，即三维坐标变化量; 台站整体姿态观测采用0.5"精密全站仪即测量机器人实时监测法，分别在测试台站圆柱体上东、南、西、北四个方向，从上到下间隔10 — 15cm设置观测点，并在观测点位上安装反射片；设立固定强制归心观测墩台，采用精密全站仪24小时自动观测，采样间隔根据环境参数变化频率确定，一般< 10分钟；通过数据处理，分析台站的挠度，同步确定台站中心线倾斜角；建立不同高度CORS台站姿态变化的预测模型；检测GNSS测量的可靠性； 依据CORS台站形变机理和规律，在CORS台站结构体内部敷设温度、应力、湿度和位移传感器网，实时采集引起台站结构体姿态变化的理化因子信息；同时采集CORS台站外部太阳辐射、风速风向等环境信息；数据采集器集成于32位可编PC，实现数模转换，通过无线通信模块，将采集的监测数据发送至远程数据处理中心； 数据中心依据通过理化因子和环境参数建立的CORS台站姿态修正模型，实时估算各台站修正值。
2.根据权利要求1所述的智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法，其特征在于:CORS台站姿态修正坐标转换:应用GPS测量获得的站心动态三维坐标是WGS-84大地测量坐标系统下的空间直角坐标，通过七参数坐标转换的迭代算法将GPS给出WGS-84坐标转换至三维站固坐标系统，便于建立台站理化参数形变估算模型，三维站固坐标系统通过高程差转换模型转换为工程坐标系统。
3.根据权利要求2所述的智能化卫星连续运行参考站姿态监测方法，其特征在于: WGS-84坐标系与三维站固坐标系转换:WGS-84坐标系与三维站固坐标系转换均为空间直角坐标，采用Buras 7参数转换模型，在台站上构建站固坐标系系统，在站体铅垂的状态下，选定过CORS台站天线强制归心螺杆顶端且与其垂直的水平面为站体高程基准面，站体纵轴线定义在站体高程基准面内过强制归心螺杆中心O与地理北一致的方向线；0点定义为站固三维坐标系的原点，在站体高程基准面上O点至纵轴线定义为站固三维坐标系的Xs轴正向，在站体高程基准面内Xs轴正向右转90度为Ys轴正向，Zs轴垂直向上，构成左手坐标系统，即三维站固坐标系统； 三维站固坐标系统与瞬时水平站心坐标系统间的转换:水平站心坐标系统是站固三维坐标系统的一个特例，它指的是当站体高程基准面处于水平时站固坐标系统，在水平站心坐标系统中，点位坐标以(XP、Yp)表示，站固坐标系统与水平站心坐标系统的X轴和Y轴在同一个铅垂面内，两者坐标原点在一条垂直线上，水平站心坐标系通过平移、旋转可以与工程坐标系重合，两者之间的关系可以通过两个相同点在两个坐标系中的坐标计算出来，称为X、Y平面旋转转换模型； 瞬时水平站心坐标系统与工程坐标系统间的转换:瞬时水平站心坐标系统和工程坐标系统同属于二维平面坐标系统，利用平面相似变换转换模型； 工程坐标系统高程转换:通过高程差转换模型转换为工程坐标系统高程，将CORS台站WGS-84大地高H84转换为工 程坐标系高程Hg。
【文档编号】G01S19/53GK103645490SQ201310736897
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月28日 优先权日:2013年12月28日
【发明者】周立, 王继刚, 蒋廷臣, 汤均博, 杨保 申请人:淮海工学院